Estudo de um Procedimento de Soldagem para liga de...

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Estudo de um Procedimento de Soldagem para liga de Alumínio Davi Pegado Gomes Projeto de Graduação apresentado ao Curso de Engenharia Naval e Oceânica, Escola Politécnica, da Universidade Federal do Rio de Janeiro, como parte dos requisitos necessários à obtenção do título de Engenheiro Naval e Oceânico. Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes Co-Orientador: Annelise Zeemann

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Estudo de um Procedimento de Soldagem para liga

de Alumínio

Davi Pegado Gomes

Projeto de Graduação apresentado ao Curso

de Engenharia Naval e Oceânica, Escola

Politécnica, da Universidade Federal do Rio

de Janeiro, como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de

Engenheiro Naval e Oceânico.

Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes

Co-Orientador: Annelise Zeemann

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Estudo de um Procedimento de Soldagem para liga

de Alumínio

Davi Pegado Gomes

PROJETO DE GRADUAÇÃO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO CURSO

DE ENGENHARIA NAVAL E OCEÂNICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS

REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO

NAVAL E OCEÂNICO.

Examinado por:

Orientadora: Prof.ª Marta Cecilia Tapia Reyes

Co-Orientadora: Prof.ª Annelise Zeemann

Eng. Isaias Quaresma Masetti

Prof. Alexandre Teixeira de Pinho Alho

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

SETEMBRO DE 2017

ii

Gomes, Davi Pegado

Estudo de um Procedimento de Soldagem para liga de

Alumínio Davi Pegado Gomes - Rio de Janeiro: UFRJ/ ESCOLA

POLITÉCNICA, 2017

Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes

Co-orientadora: Annelise Zeemann

Projeto de Graduação - UFRJ/ POLI/ Engenharia Naval

e Oceânica, 2017.

Referências Bibliográficas: p.68.

1. ALCAN 2. Apostila do curso de engenheiros de

soldagem aplicada 3. ESAB 4. Welding Handbook 5. AWS

D1.2 D1.2M 2014 6. Resistência Mecânica. Publicação

Linkedin 2016. 7. Trincas na soldagem de alumínio.

Publicação site The Welding Institute (TWI)

iii

Dedicatória

Dedico este trabalho ao meu irmão, por estar sempre ao meu lado. A minha mãe, por

esperar 15 anos até a minha formatura e sempre confiar em mim. A minha esposa, por ter

me apoiado e compreendido todos os finais de semana que passei estudando. E ao meu

amigo Igor Jablausky (Geninho) por ter traduzido do difícil para o fácil todas as matérias

da faculdade.

iv

AGRADECIMENTOS

Gostaria de agradecer a minha família, que me apoiou muito durante toda a graduação.

Gostaria de agradecer também as empresas CCR Barcas e Tecmetal, que me ajudaram

com os testes aqui apresentados e a professoras Marta Tapia que me ajudou nesta etapa

da graduação. Mas acima de tudo gostaria de agradecer a professora Annelise, por ter me

ensinado muito neste trabalho e ter perdido finais de semana comigo para me ajudar.

v

Resumo do Projeto de Graduação apresentado à Escola Politécnica/UFRJ como parte dos

requisitos necessários para a obtenção do grau de Engenheiro Naval e Oceânico.

Estudo de um Procedimento de Soldagem para liga de Alumínio

Davi Pegado Gomes

Setembro/2017

Orientadora: Marta Cecilia Tapia Reyes

Co-Orientador: Annelise Zeemann

Curso: Engenharia Naval e Oceânica

A soldagem de alumínio é corriqueiramente realizada pelo processo GMAW utilizando

transferência spray. No caso da soldagem de chapas de liga de Al-Mg-Mn de

embarcações, espessura 7 mm, são usualmente adotados chanfros com cobre-junta

cerâmico para facilitar a deposição e evitar retrabalhos na raiz. Este estudo experimental

procurou identificar quais os parâmetros e condições de soldagem são adequados para as

diferentes posições de soldagem em chapas - plana, horizontal, vertical ascendente e

sobre-cabeça; buscando a qualificação de uma especificação de procedimento de

soldagem (EPS) através de ensaios conforme a norma AWS D1.2 e elaboração de um

registro de qualificação (RQPS). A soldagem com parâmetros diferentes das

recomendações da literatura criou condições de imposição de aporte de calor elevado e

microfissuração a quente, de difícil detecção na soldagem e até mesmo nos testes de

laboratório, mostrando a importância de métodos de controle na soldagem,

principalmente porque o uso do cobre-junta mascarou o limite de aporte que deveria ter

sido imposto à junta.

vi

Abstract of Undergraduate Project presented to POLI/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Marine Engineer and Naval Architect.

Study of a Welding Procedure for Aluminum Alloy

September/2017

Advisor: Marta Cecília Tapia Reyes

Co-Advisor: Annelise Zeemann

Graduation: Marine Engineer and Naval Architect

Aluminum welding is usually accomplished by the GMAW process using transfer

spray. In the case of welding of Al-Mg-Mn alloy plates of boats, thickness 7 mm, bevels

with copper-ceramic joint are usually adopted to facilitate the deposition and avoid

reworking in the root. This experimental study sought to identify which welding

parameters and conditions are suitable for different welding positions of flat, horizontal,

vertical upward and overhead plates, seeking the qualification of a specification of

welding procedure (WPS) through tests according to AWS D1.2 and the elaboration of

a qualification record (WPQR). Welding with parameters different from the

recommendations in the literature has created conditions of imposition of high heat

input and hot microcracking, difficult to detect in welding and even in laboratory tests,

showing the importance of control methods during welding, mainly because the use of

the copper-joint masked the limit of heat input that should have been imposed on the

joint.

vii

SUMÁRIO

1 Introdução .............................................................................................. 9

1.1 Motivação ......................................................................................... 9

1.2 Descrição das atividades .................................................................... 9

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ........................................................................ 10

2.1 Solda em Alumínio............................................................................ 10

2.1.1 COMPOSIÇÃO NOMINAL DAS LIGAS DE ALUMÍNIO TRABALHÁVEIS

SOLDÁVEIS MAIS USUAIS ....................................................................... 11

2.1.2 LIGAS DA SÉRIE 5XXX ................................................................ 11

2.1.3 EFEITOS METALÚRGICOS DA SOLDAGEM ...................................... 12

2.1.4 METAL DE SOLDA (MS) ............................................................... 13

2.1.5 ZONA TERMICAMENTE AFETADA (ZTA) ......................................... 13

2.2 Preparação do Metal a Soldar ............................................................. 13

2.2.1 Introdução ................................................................................ 13

2.2.2 Estocagem e Manuseio do Alumínio .............................................. 14

2.2.3 Tipos de Junta ........................................................................... 14

2.2.4 Preparação do Metal ................................................................... 15

2.2.5 Métodos de Preparação das Bordas ............................................... 16

2.2.6 Operação de Interpasse .............................................................. 18

2.3 Tipos de Solda mais usados ............................................................... 18

2.3.1 Características do Processo MIG ................................................... 20

2.3.2 Aplicações do Processo MIG ......................................................... 20

2.3.3 Equipamento ............................................................................. 20

2.3.4 Materiais de Soldagem ................................................................ 21

2.4 Soldagem Semi-Automática ............................................................... 22

2.5 Procedimento de Soldagem ............................................................... 22

2.5.1 Determinação do Procedimento .................................................... 23

2.5.2 Vantagens da Solda MIG Automática ............................................ 24

2.6 Qualidade da Solda ........................................................................... 26

2.6.1 Introdução ................................................................................ 26

2.6.2 Inspeção e Ensaios de Juntas Soldadas ......................................... 27

viii

2.6.3 DEFEITOS DE SOLDA .................................................................. 35

2.6.4 NORMAS E ESPECIFICAÇÕES ....................................................... 40

2.6.5 QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS ........................................... 40

2.6.6 QUALIFICAÇÃO DE SOLDADORES ................................................. 41

2.7 Construção e Reparo......................................................................... 41

2.7.1 Construção ................................................................................ 41

2.7.2 Reparo ...................................................................................... 41

3 Materiais e métodos ................................................................................ 42

3.1 Materiais ......................................................................................... 42

3.2 Estudo para a Qualificação do Procedimento pela Norma AWS D1.2 ........ 43

3.3 Soldagem das Chapas de Teste .......................................................... 48

3.4 ANÁLISES DE SOLDAS E CORPOS DE PROVA ....................................... 50

4 Resultados Obtidos ................................................................................. 51

4.1 Soldagem ........................................................................................ 51

4.2 Aspecto Macrográfico e Perfil de Durezas ............................................. 51

4.3 Ensaios de Qualificação ..................................................................... 54

4.4 Análise dos Corpos de Prova com Desvio ............................................. 55

5 Discussão .............................................................................................. 64

6 Conclusões ............................................................................................ 66

7 Referências bibliográficas ........................................................................ 68

9

1 INTRODUÇÃO

Na indústria naval a construção de uma embarcação requer cuidados relacionados ao

procedimento de soldagem. Anteriormente, na história da indústria naval, as chapas

das embarcações eram fixadas com sistema de rebites, mas isto ficou para trás. Com

o aumento da tecnologia, o processo de soldagem começou a ser utilizado, até hoje

ser o único processo existente na fabricação de embarcações.

A solda é um processo de fabricação importantíssimo e, deve ser utilizado de maneira

adequada para evitar problemas futuros. Uma soldagem mal feita pode gerar trincas,

perfurações, falta de fusão, tensões acumuladas, entre outros problemas que podem

levar a uma abertura no casco da embarcação e perda de flutuabilidade. Inclusive,

em casos extremos, pode levar até ao afundamento da embarcação.

Em vista disso, este deve ser um processo muito bem acompanhado, principalmente

em ligas não ferrosas como o alumínio, pois existem muitas variáveis que causam

problemas na solda como, ajustes que levam a tensões residuais muito elevadas, gás

contaminado, falta de limpeza da superfície, soldador pouco treinado, etc., e este

trabalho tem como objetivo identificar parâmetros e condições de soldagem GMAW

adequados a uma liga de alumínio não tratável termicamente, tipo AA5083 que é

uma liga Al-Mg-Mn, fornecida na condição recozida, temper O.

1.1 Motivação

Apresentar um procedimento de soldagem para união de chapas navais de alumínio,

que possa ser aprovado por uma classificadora.

1.2 Descrição das atividades

Neste projeto foi estudada uma EPS (Especificação do Procedimento de Soldagem)

adequada ao material em questão, com base na literatura e na experiência de um

soldador de estaleiro; realizada a soldagem em todas as posições de chapa (1G, 2G,

3G e 4G), utilizando consumível recomendado AWS ER 5183, na soldagem de topo

com chanfro e acompanhamento de parâmetros; e realizados testes de qualificação

conforme a norma AWS D1.2 com requisitos adicionais da classificadora RINA, para

a emissão de um RQPS (Registro de Qualificação de Procedimento de Soldagem).

Como existiram desvios nos resultados de testes em relação ao esperado pelas

normas, foram realizados ensaios e análises adicionais para entender o desvio e

identificar formas de mitigar o problema.

10

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

O processo de soldagem é uma atividade fundamental em qualquer estaleiro e a

forma usual de garantir que uma soldagem a arco elétrico seja corretamente

executada é através da adequação do procedimento às condições do projeto, que

inclui o material, as dimensões e o tipo de união que se pretende executar. As normas

definem quais são as variáveis essenciais nestes procedimentos, como controlar e

como qualificar. [1] No atual trabalho, será estudado um Procedimento de Soldagem

para chapas de Alumínio utilizando processo de soldagem GMAW e consumível similar

ao metal de base.

2.1 Solda em Alumínio

O alumínio tem sua aplicação em muitas áreas e, no caso específico deste trabalho

para estruturas de embarcações, é especialmente adequado devido à sua elevada

resistência à corrosão em ambiente marinho associada à elevada resistência

mecânica “específica”, que é a resistência em relação ao peso. Conforme a

classificação AA as ligas de alumínio fundidas são classificadas com 3 dígitos (XXX) e

as ligas conformadas mecanicamente são classificadas com 4 dígitos (XXXX), sendo

que estes dígitos estão relacionados aos elementos de liga e, para as ligas

conformadas (séries 1xxx a 8xxx), a classificação recebe ainda identificação da

condição em que se encontram na fabricação, se “como fabricadas” (F) ou recozidas

(annealed) para relaxar a estrutura (O), ou ainda se endurecidas por encruamento

(H) ou por tratamento térmico (T).

Os elementos de liga usuais para o alumínio são: cobre, silício, manganês, magnésio

e zinco. O cobre fornece alta resistência, já o silício diminui o ponto de fusão e

propicia fluidez. O manganês confere um aumento moderado de resistência mecânica

aliado a excelente ductilidade, e o magnésio fornece as maiores resistências,

mantendo boa resistência à corrosão.

É importante entender que qualquer liga conformada mecanicamente pode ser

endurecida por encruamento (H), mas existem as ligas que são endurecíveis por

tratamento térmico, de solubilização e envelhecimento (T), das séries 2xxx, 6xxx e

7xxx; e as que não são endurecíveis por tratamento térmico, das séries 1xxx, 3xxx

e 5xxx.

Quando se pensa na soldagem das ligas de alumínio é importante entender que

qualquer liga que seja endurecível por encruamento (classificação H) ou por

tratamento térmico (classificação T) vai sofrer uma perda de resistência mecânica na

zona termicamente afetada (ZTA) pela soldagem, pois o material sofrerá uma

11

recristalização (perdendo o encruamento) ou uma solubilização (perdendo o

envelhecimento). Assim as ligas que menos sofrem na soldagem são aquelas que

não são endurecíveis na fabricação, e que sejam fornecidas relaxadas, ou seja, as

ligas 1xxx, 3xxx ou 5xxx na condição recozida (O). [1]

2.1.1 COMPOSIÇÃO NOMINAL DAS LIGAS DE ALUMÍNIO

TRABALHÁVEIS SOLDÁVEIS MAIS USUAIS

Tabela 1- Composição das Ligas de Alumínio; Fonte: [1]

2.1.2 LIGAS DA SÉRIE 5XXX

O magnésio é um dos elementos mais eficazes e largamente empregado na formação

de ligas de alumínio. As ligas da série 5XXX podem ser não apenas a base de

magnésio como também de magnésio e manganês. Esta liga é o tipo que será

utilizada neste trabalho. As ligas desta série são as que apresentam as maiores

resistências entre as ligas não-tratáveis termicamente, e por isso são amplamente

utilizadas para aplicações estruturais.

As ligas desta série, com teor abaixo de 2,5% Mg (5052, 5252, 5005, 5050), quando

soldadas com os processos de fusão a arco ficam sujeitas à fissuração a quente

durante a fase de solidificação, caso o metal de adição utilizado tenha a mesma

composição química do metal da base. Este problema pode ser superado pelo

aumento do teor de Mg da poça de solda para mais de 3,0% Mg, o que pode ser feito

mediante o uso de um metal de adição adequado.

Os metais de adição de classificação Al-5% Mg (ER-5356, ER-5556 e ER-5183) são

muito eficazes e podem evitar a fissuração até mesmo em juntas com movimentação

12

restrita, nas quais há considerável diluição do metal base. Nesta série, destaque

especial é dado à liga Al-4,5% Mg-Mn (5083), por ser a mais resistente das ligas

trabalháveis não tratáveis termicamente e pôr ser amplamente empregada na

construção de estruturas soldadas em aplicações marítimas há muitos anos. Devido

a isto, esta será a liga que utilizaremos neste estudo. Esta liga não apresenta

tendência à fissuração na solda e pode ser soldada com os seguintes consumíveis

normalizados: ER-5356, ER- 5556 e ER-5183 este último sendo o utilizado nos nossos

testes.

Destes metais de adição, o de classificação ER-5356 é empregado mais comumente,

porém, para materiais com espessura acima de 20 mm os de classificação ER-5183

e ER-5556 são os mais indicados visto que a liga ER-5183 propicia propriedades

semelhantes às do metal base na condição como recozida, e a liga ER-5556 confere

maior resistência, porém com ductilidade e tenacidade ligeiramente inferiores.

2.1.3 EFEITOS METALÚRGICOS DA SOLDAGEM

Basicamente, a solda é compreendida por duas regiões. Uma delas é o cordão de

solda, conhecido como metal de solda (MS), que apresenta uma estrutura bruta de

solidificação cuja composição é o resultado das participações de metal base e metal

de enchimento. A outra é a zona termicamente afetada (ZTA), em cada lado da solda,

onde ocorrem alterações metalúrgicas do material de base devido ao calor da

soldagem. Por sua vez, a ZTA pode ser dividida em subzonas, as quais dependem da

liga, da temperatura e tempo experimentados pelo metal.

A figura 1 apresenta a macrografia de uma solda de alumínio realizada em apenas

um passe por um processo laser, onde a ZTA é imperceptível.

Figura 1- Macrografia apresenta a seção de uma junta soldada laser CO2. [2]

13

2.1.4 METAL DE SOLDA (MS)

As propriedades da estrutura bruta de solidificação do cordão de solda são

influenciadas pela composição química e taxa de solidificação, que é a velocidade de

solidificação do líquido. Um aumento na taxa de solidificação contribui para a

obtenção de melhores propriedades mecânicas, devido à formação de uma

microestrutura mais fina. Já a taxa de solidificação será tanto maior quanto menor

for o aporte térmico sendo este último influenciado pela velocidade de soldagem, de

modo que velocidades maiores diminuem o aporte térmico cedido à solda e o

tamanho dos cordões. Os cordões de solda menores geralmente apresentam

propriedades mais elevadas, mas deve-se tomar cuidado em relação ao tamanho das

soldas, pois quando os cordões de solda são muito pequenos, podem promover

defeitos do tipo falta de fusão ou penetração e ainda podem trincar durante a

soldagem devido às tensões geradas pela restrição imposta pelo metal base.

2.1.5 ZONA TERMICAMENTE AFETADA (ZTA)

O efeito do calor de soldagem sobre as ligas de alumínio varia com a distância em

relação à solda e pode ser dividido, aproximadamente, em áreas que exprimem as

diferentes temperaturas atingidas pelo metal. O período de tempo em cada

temperatura também é significante para as ligas tratáveis termicamente. A largura

dessas áreas e o grau de transformações metalúrgicas nas ligas tratáveis

termicamente dependem da espessura e geometria da junta, do processo e do

procedimento de soldagem e temperaturas de preaquecimento. A ZTA nas juntas

feitas com os processos com proteção de gás inerte raramente estendem-se além de

meia polegada (12,7 mm) da linha do centro da solda, contudo para estudos assume-

se o valor de uma polegada (25,4 mm) de largura para cada lado da junta.

2.2 Preparação do Metal a Soldar

2.2.1 Introdução

Uma boa solda é o resultado do trabalho feito por um soldador qualificado e dedicado

com uso do equipamento correto e um procedimento de soldagem previamente

testado e aprovado para as propriedades que a junta requer. Porém, existem vários

outros fatores que não são da própria operação de soldagem, que afetam os

resultados finais, e que merecem importância. Neste tópico, abordaremos estes

fatores.

14

2.2.2 Estocagem e Manuseio do Alumínio

O alumínio deve ser limpo e livre de umidade sempre que tiver que ser soldado, para

evitar porosidade na solda. Desta forma, é fundamental que o material seja estocado

e manuseado adequadamente, o que pode significar economia no custo de

preparação. O alumínio tem uma formação natural de um filme de óxido sobre a sua

superfície. E é este filme que confere ao alumínio e suas ligas resistência à corrosão

elevada. Todavia, a superfície do filme de óxido é porosa e pode reter umidade e

sujeira. Nessas circunstâncias, os processos de soldagem com proteção de gás inerte

só conseguem remover esse filme quando a sua espessura é adequada. Se a película

de óxido é espessa demais e está contaminada, além de causar instabilidade ao arco

de soldagem haverá porosidade na solda. Sendo assim, todo cuidado deve ser

tomado para assegurar que um filme de óxido com espessura maior do que a normal

não se forme sobre a superfície do alumínio durante o processo de estocagem. Para

isto, devemos conservá-lo em local seco e numa temperatura regular. A umidade

aprisionada entre as camadas atua como um eletrólito, causando corrosão das

superfícies do metal, além de destruir a sua aparência. Métodos como escovamento,

esmerilhamento ou ataque químico podem remover a mancha d’água. [3]

2.2.3 Tipos de Junta

As juntas exemplificadas na Figura 2 são os cinco tipos básicos mais usuais na

soldagem do alumínio. Elas podem requerer ou não preparação das bordas, como,

por exemplo, chanfro, dependendo das circunstâncias sob as quais serão usadas. A

Tabela 2 lista as principais vantagens e desvantagens dos cinco tipos de juntas

citados.

Figura 2 – Tipos de Junta; Fonte: Douglas de Araújo

15

Tabela 2- Vantagens e desvantagens das juntas mais comuns na soldagem do alumínio;

Fonte: [1]

2.2.4 Preparação do Metal

As operações de corte, biselagem e goivagem em alumínio são diferentes das de aço.

Uma das ferramentas mais populares utilizadas para cortar metais ferrosos, mas que

não é adequada para o alumínio, é o maçarico. Isto porque o óxido de alumínio age

como uma película refratária em decorrência de seu ponto de fusão ser três vezes

maior que o do metal base (isto é, 2052°C versus 660°C). O calor gerado pela chama

no processo oxicorte funde o metal base bem antes de o óxido superficial fundir-se,

16

de modo que o resultado é uma superfície de corte com aspecto grosseira, não

adequada para a solda. Porém, o processo a arco plasma e alguns métodos

mecânicos se comportam muito bem e podem ser usados em substituição ao oxicorte.

Embora os métodos de corte a arco possam ser aplicáveis em determinadas fases da

fabricação, um grande número de empresas preferem os métodos mecânicos, por

serem mais econômicos e versáteis.

2.2.5 Métodos de Preparação das Bordas

A preparação das bordas do metal a soldar é necessária, quase sempre, para facilitar

a sua fusão, permitir que a junta tenha penetração completa e melhorar o acesso do

eletrodo durante a soldagem. A preparação das bordas está fortemente vinculada a

vários fatores: [3]

1. o tipo de liga e a espessura do material;

2. o tipo e a localização da junta;

3. o processo de soldagem utilizado;

4. a qualidade de solda requerida.

Os métodos mais usuais empregados na preparação das bordas em alumínio são

descritos abaixo.

2.2.5.1 Limpeza com Solvente

1) limpar com um pano embebido com solvente (álcool ou acetona);

2) secar;

3) escovamento mecânico com escova de aço inoxidável;

4) soldagem.

2.2.5.2 Backing ou Cobre-Junta

O backing é um tipo de suporte colocado na raiz da junta a ser soldada com a função

de sustentar a penetração do cordão durante a soldagem e facilitar o trabalho do

soldador. Este tipo de artifício é normalmente utilizado quando não se tem acesso à

solda pelos dois lados. Há dois tipos principais de backing: temporário e permanente.

O backing temporário propicia o controle térmico e físico da penetração e, em seguida,

é removido. Este backing de cerâmica é dividido em pequenos segmentos, os quais

são fornecidos com uma fita adesiva flexível para facilitar a sua fixação à junta. Este

tipo de backing possui a vantagem de poder ser usado em locais inacessíveis, tal

como no interior de um tanque de armazenamento, porque depois de terminada a

soldagem a tira de backing pode ser retirada através de uma pequena abertura no

tanque. Este tipo de backing será o utilizado neste trabalho. Os tipos de chanfro

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adotados em juntas de chapa, com e sem backing, estão ilustrados nas figuras 3 e 4

respectivamente.

Figura 3 - Chanfro sem Backing, Fonte: [4]

A- 1,6 mm

B- 2,4 mm

T- Espessura

R- 1,6 mm

Figura 4 - Chanfro com Backing, Fonte: [4]

A- 1,6 mm

B- 2,4 mm

T- Espessura

R- 2,4 mm

18

2.2.6 Operação de Interpasse

As soldas em passes múltiplos requerem alguns cuidados para assegurar que nenhum

tipo de defeito seja introduzido entre os passes de solda. A operação de escovamento

após cada passe depositado contribui para:

Remover a fuligem, ajudando a prevenir a falta de fusão ou porosidade na

sucessão dos cordões de solda;

Limpar a superfície da solda, contribuindo para que o soldador decida melhor

onde localizar o cordão de solda seguinte e obter o perfil de cordão desejado; Reduzir a espessura do óxido de alumínio superficial.

As soldas de topo, TIG ou MIG, normalmente exigem a goivagem do lado oposto da

junta. Isto é necessário para remover o metal não fundido e também algum filme de

óxido e contaminantes que ficaram aprisionados.

2.3 Tipos de Solda mais usados

A soldagem a arco tungstênio com a atmosfera gasosa, ou mais comumente

designada como soldagem TIG (“Tungsten Inert Gás”), nomenclatura internacional

GTAW, é um processo de soldagem em que o arco elétrico é estabelecido entre um

eletrodo de tungstênio não consumível e a peça, numa atmosfera de gás inerte. Na

indústria em geral o processo TIG é o mais aplicado na soldagem das ligas de

alumínio. Ele foi desenvolvido antes do processo MIG, ou GMAW, bem como, foi o

primeiro processo de soldagem com proteção de gás inerte adequado para soldar o

alumínio. Porém, o processo TIG não é tão eficaz quanto o MIG na soldagem de

grandes extensões ou em determinados tipos de juntas. As velocidades de soldagem

mais usuais com o TIG são muito menores do que com o MIG. Este trabalho se refere

à soldagem pelo processo MIG.

A soldagem MIG, cujo sistema está apresentado na figura 5 e em detalhe na figura

6, consiste em um processo de soldagem por arco elétrico entre a peça e o

consumível em forma de arame, eletrodo não revestido, fornecido por um

alimentador contínuo, realizando uma união de materiais metálicos pelo aquecimento

e fusão. O arco elétrico funde de forma contínua o arame à medida que é alimentado

à poça de fusão. O metal de solda é protegido da atmosfera por um fluxo de gás, ou

mistura de gases, inerte (MIG) ou ativo (MAG). Neste processo de soldagem é

utilizada a corrente contínua (CC) e geralmente o arame é utilizado no polo positivo

(polaridade reversa). A polaridade direta é raramente utilizada, pois proporciona uma

menor taxa de transferência do metal fundido do arame de solda para a peça. As

correntes mais comumente empregadas são de 50A até mais do que 600A, com

tensões de soldagem de 15V até 32.[3]

19

Figura 5 - Solda MIG; Fonte: [3]

Figura 6 - Tocha MIG, Fonte: Alusolda

20

2.3.1 Características do Processo MIG

A soldagem MIG apresenta algumas vantagens que não são possíveis com a TIG, tais

como:

Velocidades de soldagem elevadas

Profundidades maiores de penetração

Zonas termicamente afetadas mais estreitas.

Outra vantagem além das mencionadas é que na soldagem MIG, que é semi-

automática, o soldador, para conseguir os resultados desejados, precisa ter

coordenação motora apenas em uma das mãos, enquanto que na soldagem TIG ele precisa ter nas duas mãos.

2.3.2 Aplicações do Processo MIG

Em razão da penetração acentuada que se pode obter com o arco MIG e as altas

densidades de correntes empregadas, este processo é particularmente adequado

para a soldagem de material numa gama variada de espessuras. Soldas em chanfro,

filete e sobreposta, em lâmina, chapa e perfis extrudados, são feitas com facilidade.

Alta taxa de deposição é obtida na soldagem com este processo com consequente

diminuição do custo por metro de solda acabada. As vantagens inerentes do alumínio

na área de transporte, aliadas à soldagem econômica apresentada pelo processo MIG,

têm expandido o uso de alumínio na construção de superestruturas de navios,

carrocerias de ônibus e caminhões, caçambas, vagões ferroviários, e em outros

equipamentos para o transporte ferroviário. Tanques de grande capacidade em

alumínio para o transporte em navios e estocagem de gás natural líquido têm sido

fabricados pelo processo MIG, assim como vasos de pressão em alumínio soldado

são aceitos pelos órgãos normalizadores. O emprego do processo MIG na soldagem

de estruturas em geral é também muito difundido. A leveza do alumínio e sua

excelente resistência à corrosão, associadas à sua fácil união pela soldagem MIG, o

tornam uma opção lógica para tais aplicações.

2.3.3 Equipamento

Para empregar o processo MIG é necessário possuir os seguintes equipamentos e

consumíveis:

Uma fonte de potência de corrente contínua projetada para a soldagem MIG;

Um sistema de alimentação de eletrodo;

Uma pistola;

Um suprimento de gás de proteção com regulador de pressão e um fluxímetro; Eletrodo de liga de alumínio.

21

2.3.4 Materiais de Soldagem

Os materiais consumíveis, com exceção das peças sobressalentes do equipamento

MIG, são o eletrodo e o gás inerte.

2.3.4.1 Eletrodo

O arame eletrodo é um componente muito importante no processo de soldagem MIG,

visto que a economia da operação e a integridade da junta soldada dependem de

certas características do arame utilizado, as quais estão intimamente ligadas com a

tecnologia empregada na fabricação deste produto. O arame MIG desempenha duas

funções: a primeira é que ele atua como o anodo do arco, e segunda, participa na

solda como metal de enchimento. Como anodo, deve manter-se sempre centrado em

relação ao bocal de gás, assim como a sua ação de fricção no interior do bico de

contato deve ser perfeita, de modo que a corrente de soldagem seja transferida

consistentemente. Para se evitar a ocorrência de porosidade na solda, é fundamental

a qualidade da limpeza superficial do eletrodo MIG utilizado. A proteção correta do

arame durante a armazenagem, bem como, em uso é também importante. Algumas

precauções adicionais podem ser necessárias quando há qualquer possibilidade de

formar umidade sobre a superfície do eletrodo. Isto pode acontecer se o arame é

armazenado em local sem controle de temperatura e depois é levado para o interior

da fábrica, onde a temperatura esteja alta, e em seguida retirado da embalagem

antes que atinja a temperatura ambiente. Recomenda-se que os eletrodos sejam

armazenados em local limpo e seco, a temperatura controlada e uniforme (18-27°C).

Esta recomendação é especialmente importante quando se trata de eletrodos nas

ligas da série 5XXX.

2.3.4.2 Gás de Proteção

A maioria dos gases inertes (argônio, criptônio, neônio, xenônio ou hélio) poderia ser

utilizado para fins de proteção no processo MIG. Todavia, por razões de custo, os

únicos gases normalmente empregados são o argônio e o hélio ou uma mistura dos

dois. Desses dois gases, o argônio é o mais barato e de uso geral, mas algumas vezes

se justifica a utilização de uma mistura argônio e hélio. O gás de proteção não tem

somente a função de proteger o arco e a poça de solda do ar a sua volta, mas também

auxilia na determinação das características elétricas do arco. Estas características

resultam do potencial de ionização do gás em particular. Devido ao seu potencial de

ionização ser mais alto, o hélio proporciona um perfil de fusão da solda mais largo

no contorno de penetração do que o argônio. Este perfil mais largo possui a vantagem

de permitir tolerâncias maiores no desalinhamento entre o arco e a junta, assim como

ajuda a evitar a ocorrência de penetração inadequada e falta de fusão. Uma mistura

22

dos dois gases fornece soldas com perfis intermediários. O argônio é utilizado em

geral na soldagem semi-automática, bem como, em algumas situações, na

automática também. Isto se deve à boa penetração e à limpeza das soldas obtidas

com ele, além de seu custo ser mais em conta do que o do hélio. O uso do hélio puro

é limitado à soldagem automática de juntas de topo em metal muito espesso, onde

a velocidade de soldagem elevada, a penetração superior e o perfil de penetração

mais adequado justificam o custo adicional do gás. Misturas de argônio e hélio são

de grande utilidade em soldagem semi-automática de metal espesso, ou onde é

preciso tirar proveito de um arco mais aquecido. Elas são recomendadas na execução

de soldas em passes múltiplos com os eletrodos nas ligas da série 5XXX, como

também na maioria das soldagens automáticas em metal base com espessura acima

de 1/2" (12,7 mm); principalmente em juntas de topo onde se requer penetração

máxima. Para este trabalho o argônio puro é a opção.

2.4 Soldagem Semi-Automática

A técnica utilizada com o processo MIG varia consideravelmente da que é empregada

com o processo TIG. Uma vez que o soldador não tem que coordenar o movimento

das duas mãos, tanto o período de treinamento como a fadiga do soldador são

reduzidos. Por outro lado, em virtude das velocidades de deslocamento serem

maiores, o acompanhamento da linha da junta bem como a manutenção correta dos

ângulos da tocha requerem mais habilidade do soldador.

2.5 Procedimento de Soldagem

Um procedimento de soldagem nada mais é que um conjunto de condições que

propiciam, por meio de uma velocidade de soldagem ideal, a penetração e o perfil de

solda adequada, sem gerar defeitos e para tal não requerendo habilidade

extraordinária. Um procedimento para ser qualificado deve comprovar que atende

aos requisitos pré-estabelecidos na norma em questão, após ter sido submetido aos

ensaios nela especificados. A norma AWS D1.2 /1.2 (“Structural Welding Code -

Aluminum”) é um dos códigos de soldagem mais usuais, que especifica os ensaios e

os critérios de aceitação para a qualificação de procedimentos. O desenvolvimento

de um procedimento de soldagem qualificado requer o estabelecimento da faixa ideal

para cada parâmetro, assim como a variação máxima permissível dessas faixas.

23

A sequência das etapas no processo de desenvolvimento normalmente segue a forma

abaixo:

Liga e espessura do metal, liga do metal de enchimento (eletrodo) e tipo de

junta são usualmente especificados pelo projetista. Ele também pode

especificar a geometria da junta, o tipo de cobre-junta (ou backing) e a

posição de soldagem.

A corrente de soldagem é, principalmente, relacionada à espessura do metal,

embora o tipo de junta também tenha relação. A corrente define o aporte

térmico e, consequentemente, a energia de penetração do arco. Os níveis de

corrente para a soldagem MIG semi-automática em “spray” variam de cerca

de 70 a 400 ampères. O limite inferior pode ser reduzido pela soldagem MIG

pulsada, a qual permite o uso de correntes em tomo de 30 ampères. O limite

superior para a soldagem semi-automática provém, sobretudo da capacidade

do soldador suportar a intensidade de calor do arco. Esta restrição é superada

pela soldagem MIG automatizada, podendo realizar procedimentos com

correntes que cheguem a níveis de 900 ampères.

A escolha do gás de proteção é, sobretudo, relacionada à espessura do metal.

Assim sendo, o argônio é melhor para uma gama variada de espessuras de

metal, enquanto misturas de argônio-hélio se aplicam a metal muito espesso.

A taxa de vazão é fundamentalmente função da corrente de soldagem, e

também influenciada por outros fatores tais como: posição de soldagem, tipo

de junta, diâmetro do bocal e condições ambientais (como, por exemplo,

correntes de ar no local de soldagem).

O comprimento de arco tem efeito na penetração da solda. Dentro da faixa

normal utilizável, arcos mais curtos tendem a dar penetração maior e cordões

mais estreitos, sendo preferidos normalmente para os passes de raiz nas

soldas em chanfro e nas soldas de filete. Os arcos mais longos são

relativamente menos penetrantes e tendem a dar cordões de solda mais

largos.

Normalmente aumenta-se o comprimento do arco para efetuar-se os passes

de enchimento e acabamento.

O número de passes para completar uma solda é principalmente uma função

da espessura do metal, tipo e alinhamento da junta. No entanto, a posição de

soldagem pode também ter efeito, visto que na soldagem de outras posições

diferentes da plana é praticamente necessário o emprego de vários passes

menores, sobretudo na posição vertical. Os soldadores podem ter preferência

por muitos ou poucos passes. Contudo, menos passes, porém grandes,

significam velocidade de soldagem baixa, o que é muitas vezes útil. Além disso,

o uso de um número menor de passes também tende a reduzir a ocorrência

de distorções.

A velocidade de soldagem no processo MIG semi-automático fica até certo

nível a critério do soldador. Velocidades na faixa de 30 a 80 cm/min são muito

comuns. Na soldagem automática têm sido registrados valores de velocidades

da ordem de 250 cm/min.

O ângulo da tocha é influenciado fundamentalmente pela velocidade de

soldagem, isto é, quanto maior a velocidade maior terá que ser o ângulo para

assegurar a proteção adequada de gás do arco e da poça de solda.[1]

2.5.1 Determinação do Procedimento

Na soldagem semi-automática, a velocidade de soldagem e outras variáveis, tais

como ângulo da tocha e a distância da tocha à peça, ficam sujeitos ao controle

constante do soldador. Porém, o fluxo de gás, a corrente e o comprimento do arco

24

são pré-estabelecidos. Por exemplo, o fluxo de gás é facilmente determinado uma

vez que ele é independente das outras variáveis. Entretanto, o soldador tem ideia de

dois tipos de regulagem de máquinas, um que regula o comprimento do arco e o

outro, a corrente. Uma vez que a fonte de energia foi regulada para uma determinada

corrente, a taxa de alimentação do eletrodo é fixada deliberadamente acima da

necessária e o arco é aberto. Em seguida se reduz a taxa de alimentação até se obter

o comprimento de arco correto.

O Welding Handbook [4] apresenta uma tabela com parâmetros de soldagem típicos

definidos por espessura, posição e tipo de chanfro.

Tabela 3-Parâmetros de soldagem (da foto), Fonte: [4]

2.5.2 Vantagens da Solda MIG Automática

A soldagem MIG automática possui vantagens importantes em relação ao modo semi-

automático (foco de estudo desde trabalho). A fixação da altura e do ângulo da tocha

possibilita que a solda fique sempre, adequadamente, protegida pelo gás, e a

25

mecanização da tocha permite que as velocidades de soldagem desenvolvidas sejam

muito maiores e mais uniformes do que no processo semi-automático. Além disso,

soldas de grande extensão podem ser feitas sem as interrupções e reinícios que

normalmente são necessários na soldagem semi-automática. A vantagem principal

de se utilizar uma corrente alta, como na solda automática, é que ela permite fazer

soldas com poucos passes, sem praticamente nenhuma necessidade de se preparar

as bordas. Por exemplo, espessuras de metal até 12 mm podem ser soldadas em

chanfro com um único passe, e espessuras até 40 mm com apenas dois passes, sendo

um de cada lado. A preparação, onde requerida, consiste apenas de um pequeno

bisel de 6 mm de profundidade em 25 mm de material empregado, para diminuir a

altura do reforço de solda e para servir de orientação ao operador do equipamento

no percurso da junta. Em geral, a utilização da soldagem automática resulta numa

qualidade de solda melhor e mais consistente, a um custo menor. De qualquer

maneira, custos adicionais de equipamentos e montagem podem não ser

justificativos para volumes de produção pequenos. A soldagem automática é muito

vantajosa quando a mesma pode ser feita na posição plana (ou na horizontal nas

soldas de filete), pois, caso contrário, nem sempre é possível justificar o custo de um

posicionador que viabilize a soldagem fora de posição. As vantagens gerais do MIG

automatizado em relação ao semi-automático são:

2.5.2.1 Maior Controle e Melhor Qualidade

a. Ângulo e altura da tocha constante, boa cobertura do gás de proteção e poucos

defeitos.

b. Deslocamento da tocha mecanizado:

• velocidades constantes - penetração uniforme;

• velocidades maiores - menor distorção;

• eliminação das paradas e reinícios - menos defeito.

c. Correntes maiores:

• poucos passes de solda - menor probabilidade de defeitos;

• maior calor na solda - menos porosidade.

2.5.2.2 Custo Baixo

a. Velocidades altas - tempo de arco diminui:

• custo de mão-de-obra diminui;

• consumo de gás diminui.

b. Correntes maiores:

• menos preparação das bordas - menos consumo de arame;

• não precisa goivar;

• poucos passes de solda - o tempo de solda total diminui.

c. Qualidade e aparência das soldas melhores – poucos reparos

26

Tabela 4- Detalhes Importantes de uma Solda; Fonte: [1]

2.6 Qualidade da Solda

2.6.1 Introdução

A Qualidade na Soldagem é necessária, primeiramente, para assegurar que

operadores, procedimentos e equipamentos sejam capazes de produzirem soldas que

atendam às exigências dos códigos ou normas segundo as quais foram feitas e, por

último, garantir que esta qualidade seja mantida durante a produção. É reconhecido

que o custo da soldagem será mais caro quanto maior for o nível de qualidade

27

requerido pela solda, e maior será a necessidade de supervisão para manter esta

qualidade. Portanto, é muito importante que se tenha uma atitude realista, de modo

que as soldas sejam produzidas com ótima combinação de custo e qualidade. O

controle da qualidade é uma associação das responsabilidades de todas as pessoas

envolvidas com a operação de soldagem. Ela começa com a adequada armazenagem

e proteção do metal base, e encerra com um produto final aceitável.

Os principais fatores que podem afetar a qualidade da solda são listados:[5]

• Projeto da junta

• Procedimento de soldagem

• Preparação do metal

• Tipos e eficiência dos dispositivos.

• Desempenho dos equipamentos de soldagem

• Qualidade dos consumíveis de soldagem

• Condições de trabalho

• Habilidade do soldador e dedicação à qualidade.

O Controle da Qualidade será discutido em três seções: a primeira trata da inspeção

e ensaios, a segunda dos defeitos, suas causas e medidas de prevenção e, por fim,

comentam-se as normas e especificações.

2.6.2 Inspeção e Ensaios de Juntas Soldadas

Uma vez que as normas para as quais as soldas são inspecionadas e testadas variam

de acordo com a aplicação final, o objetivo desta seção é resumir os métodos de

inspeção e de ensaio que são típicos e de uso prático seguro. Os métodos de inspeção

e de ensaio são classificados em dois grupos:

1) ensaios não-destrutivos;

2) ensaios destrutivos.

Os métodos de inspeção não destrutivos são adequados para verificar a qualidade

das soldas de produção, enquanto que os destrutivos se aplicam somente à

qualificação de procedimento de soldagem, previamente à sua adoção em produção.

2.6.2.1 Ensaios não Destrutivos

O ensaio não destrutivo se caracteriza por não precisar cortar ou destruir a solda, ou

o conjunto soldado. Os métodos normalmente empregados são:

Inspeção visual, radiográfica, por líquido penetrante e ultrassom.

28

2.6.2.1.1 Inspeção Visual

A inspeção visual é o primeiro passo a ser tomado para se verificar a qualidade de

uma junta soldada. Todos os outros exames não destrutivos devem ser executados

após um bom exame visual, que pode ser feito a olho nu ou com o auxílio de lupa. A

inspeção visual é utilizada antes e após a soldagem. Antes, para detectar defeitos de

geometria da junta (ângulo do bisei, ângulo do chanfro, nariz do bisei e abertura das

partes a serem soldadas) e descontinuidades do metal base. Após a operação de

soldagem, o exame visual tem por finalidade detectar possíveis defeitos induzidos

durante a soldagem, tais como: perfil ou tamanho de solda incorreto, irregularidade

na aparência do cordão, poros superficiais, falta de penetração, trincas superficiais

no metal de solda e na zona termicamente afetada, mordeduras e outros.

2.6.2.1.2 Inspeção Radiográfica

O exame radiográfico é de grande aplicação industrial, sendo utilizado para

determinar a presença e a natureza de defeitos ou descontinuidades estruturais no

interior das soldas. O equipamento é relativamente caro, bem como é necessário que

o pessoal de operação e interpretação dos resultados seja qualificado. Além daqueles

defeitos listados na inspeção visual, o exame radiográfico revela também: porosidade,

inclusões, trincas internas e falta de fusão. A inspeção radiográfica não revela

defeitos planares que estejam orientados paralelamente ao feixe, por exemplo,

estrutura lamelar, assim como pode não revelar outros defeitos orientados segundo

ângulos bem próximos de 0 grau com o feixe, por exemplo, falta de fusão. Em certos

casos, mesmo a falta de penetração não é revelada, por exemplo, quando da

soldagem MIG mecanizada de juntas de topo com bordas retas, onde praticamente

não há folga entre as arestas da junta. Todavia, a confiabilidade da inspeção pode

ser aumentada por meio de radiografia.

2.6.2.1.3 Inspeção por Líquido Penetrante

A inspeção por meio de líquido penetrante é um exame relativamente simples, rápido

e de fácil execução. É utilizado para detectar trincas e porosidade superficial e falta

de fusão que se estende até a superfície da solda. Os penetrantes visíveis são

empregados para detectar defeitos superficiais grosseiros, enquanto os penetrantes

fluorescentes para detectar defeitos muito pequenos. Nos dois tipos, penetrante

visível e fluorescente, a superfície a ser examinada e todas as áreas ao redor de pelo

menos 25 mm devem ser limpas. Após a limpeza inicial, aplica-se o líquido, onde,

por ação capilar, o penetrante migra para dentro de possíveis defeitos superficiais.

Decorrido o tempo de penetração, o excesso de penetrante é removido com água.

29

Depois que o produto utilizado na remoção do excesso de penetrante estiver seco,

aplica-se o revelador na superfície a ser examinada. Por fim, o inspetor realiza a

inspeção visual da solda à procura de possíveis defeitos. A inspeção por líquido

penetrante, além de utilizada para detectar defeitos superficiais, é muito comum ser

empregada, também, para verificar a existência de defeitos na raiz das soldas após

a operação de goivagem do lado reverso da junta aquele já soldado. E, no caso de

existir algum defeito, o mesmo deve ser removido para, em seguida, a soldagem da

junta ser completada.

2.6.2.1.4 Inspeção por Ultrassom

O ensaio por ultrassom de conjuntos soldados em alumínio se realiza pela passagem

de vibrações ultrassônicas através do material, e, depois, mede-se o tempo de

transmissão e a amplitude de reflexão dessas vibrações. Para medir o intervalo de

tempo e a amplitude dos sinais ultrassônicos recebidos, utiliza-se um osciloscópio.

Com este método de inspeção fica muito mais difícil diferenciar os vários tipos de

defeitos de solda do que o exame radiográfico. E, consequentemente, o ensaio por

ultrassom é empregado fundamentalmente para verificar a sanidade da solda, ao

invés de determinar a natureza do defeito.

2.6.2.2 ENSAIOS DESTRUTIVOS

No ensaio destrutivo, a solda ou o conjunto soldado tem que ser seccionado para

fornecer o corpo de prova de teste. O corpo de prova é preparado com os mesmos

materiais e soldado do mesmo modo e posição tal como será futuramente utilizada

na produção. Os métodos de ensaios destrutivos encontram maior aplicação,

principalmente, nas qualificações de processo, procedimentos, soldadores e materiais.

Os ensaios destrutivos compreendem os testes de fratura, dobramento, tração,

dureza e análise metalográfica.

2.6.2.2.1 Ensaio de Fratura

O ensaio de fratura é um método muito empregado para verificar se as características

do arco elétrico estão promovendo a necessária fusão e penetração no material,

assim como estão promovendo integridade nos cordões (ausência de defeitos), sendo

de simples execução, eficiente e econômico. Devido à sua facilidade, o mesmo pode

ser feito no próprio local de trabalho. No caso das soldas de filete, a junta é soldada

de um único lado e, em seguida, o corpo de prova é fraturado por meio do

dobramento da chapa vertical sobre a solda, como mostra a Figura 7. Nas soldas em

chanfro, o corpo de prova é entalhado no local em que se deseja examinar e depois,

30

por meio do golpe com um martelo o mesmo é levado a romper. Em ambos os casos,

a inspeção visual da superfície fraturada pode revelar defeitos na solda tais como:

porosidade, inclusões, falta de penetração, falta de fusão e trinca no pé do cordão. A

falta de fusão é de fácil identificação nas soldas de filete, mas nas soldas em chanfro

só é visível quando presente em grande intensidade.

Este ensaio é apenas qualitativo e mostra a maior ou menor susceptibilidade de

formar defeitos quando se utilizam determinados parâmetros de soldagem, mas não

existe nenhum tipo de informação que indique alguma característica específica ou

propriedade do material.

Figura 7 - Ensaio de Fratura, Fonte: Alusolda

2.6.2.2.2 Ensaio de Tração

O ensaio de tração é utilizado para conhecer propriedades de resistência e ductilidade

de materiais. A figura 8 apresenta um quadro resumindo este ensaio [6] que consiste

em aplicar uma força uniaxial em um corpo-de-prova (CP) padronizado por normas

técnicas, tendendo-o a alongá-lo até o momento de sua fratura. Os CPs podem ser

circulares ou retangulares. Cada CP é fixado pelas suas extremidades nas garras de

fixação da máquina de tração e é então submetido a um esforço, aplicando uma carga

gradativa e registrando cada valor de força correspondente a um alongamento do

material (medido por um extensomêtro). O ensaio termina quando o material se

rompe. No caso do ensaio de tração em junta soldada a medida de interesse é a

tensão limite de resistência, que é a máxima tensão atingida no ensaio, e a outra

informação importante é o local de ruptura, se foi no metal de base (MB), na zona

termicamente afetada (ZTA) ou no metal de solda (MS). Em geral quando se soldam

dois materiais similares com o uso de um consumível similar ao metal de base, o que

se espera é que a tensão máxima levantada na junta soldada seja igual ou superior

à tensão mínima requerida para o metal de base. Esta característica é especialmente

importante no caso de ligas de alumínio não endurecidas, como a 5083 condição O,

31

pois não existe nenhum tipo de transformação na zona afetada que pudesse reduzir

a resistência mecânica do material.

Figura 8 - Ensaio de Tração[6]

2.6.2.2.3 Ensaio de Dobramento

O ensaio de dobramento, que também é um ensaio apenas qualitativo e adotado

apenas em juntas soldadas, consiste em submeter um corpo de prova a uma

deformação plástica por flexão, figura 9. O corpo de prova, assentado sobre dois

apoios afastados a uma distância especificada, é dobrado por intermédio de um

cutelo, que aplica um esforço de flexão no centro do corpo, até que seja atingido o

ângulo de dobramento especificado. A severidade do ensaio aumenta com a redução

do diâmetro do cutelo que geralmente é em função do diâmetro do corpo de prova

ou da espessura dele. Outro parâmetro que determina a severidade do ensaio é o

ângulo de dobramento que é geralmente de 90°, 120° ou 180°. Neste caso o

dobramento em ângulo e raio definidos para o material deve ocorrer sem formação

de fissuras ou defeitos, e a finalidade deste ensaio é apenas a de verificar se as soldas

têm defeitos, se estes defeitos tem dimensões aceitáveis ou não e se a presença de

defeitos abre ou não a solda em trincas. As figuras 10 e 11 apresentam corpos-de-

prova de dobramento ensaiados, respectivamente aprovado e reprovado.

32

Figura 9 - ensaio de Dobramento [2]

Figura 10 - CP Após Teste de Dobramento (aprovado)

33

Figura 11 - CP Após Teste de Dobramento (Reprovado)

2.6.2.2.4 Análise Metalográfica

A análise metalográfica é utilizada quando se deseja conhecer os aspectos macro e

microestruturais de uma junta soldada, assim como a macrografia é utilizada para

realizar medidas de dureza. A análise macroscópica é a observação visual de um

corpo de prova preparado de uma seção transversal da solda, podendo ser feita com

ou sem auxílio de uma lupa ou microscópio binocular numa ampliação não mais do

que cinquenta vezes (x 50). Na análise macroscópica, a solda é seccionada no local

onde se deseja verificar a qualidade do conjunto soldado e posteriormente é feita a

preparação desta secção transversal por meio de lixamento ou polimento grosseiro.

Depois, a superfície é levemente atacada com uma solução química própria para

alumínio, para distinguir as zonas da solda e realçar os possíveis defeitos existentes,

como trincas, porosidade, falta de fusão e falta de penetração. Este método também

é utilizado para estudar o perfil da solda e a disposição dos cordões em soldas

multipasses. A Figura 12 ilustra a macroestrutura típica de uma solda em chanfro,

multipasses, feita com o processo MIG mecanizado.

Na análise microscópica os corpos de prova são preparados do mesmo modo, tal

como para a análise macroscópica, exceto que a superfície a ser analisada deve ser

lixada e polida até atingir um acabamento especular.

O exame do corpo de prova, na condição como polido, revela a geometria da junta,

defeitos grandes e pequenos, como falta de penetração, falta de fusão, porosidade,

trincas e inclusões. Para revelar o tamanho do grão, microconstituintes, bem como o

formato da solda e da zona termicamente afetada, os corpos de prova devem ser

atacados com uma solução adequada. A Tabela 5 informa quais são os ensaios e

métodos de inspeção usuais na detecção dos principais defeitos de solda.

34

Figura 12 - Macrografia de uma junta soldada; Fonte: Portal Metalica

Tabela 5 - Principais Defeitos, Ensaios e Métodos de Detecção; Fonte: [1]

35

2.6.3 DEFEITOS DE SOLDA

Soldas defeituosas são aquelas que contêm descontinuidades bastante graves, as

quais afetam a sua resistência mecânica ou a resistência à corrosão. Os defeitos nas

soldas de alumínio ocorrem devido a uma variedade de causas, tais como:

preparação do metal, procedimentos ou técnicas de soldagem inadequada. Todavia,

a presença de uma descontinuidade em uma junta soldada não significa

necessariamente a sua rejeição, a menos que tenha dimensão ou forma que promova

perda de propriedades. Os principais defeitos encontrados nas soldas de alumínio

são: trincas, falta de penetração, falta de fusão, porosidade excessiva e mordeduras.

Tamanho e perfil da solda inadequada também são considerados defeitos. A seguir é

feita uma descrição sumária de cada um deles.

2.6.3.1 Trincas

As trincas são fissuras que podem ocorrer tanto no metal de solda como na zona

termicamente afetada durante a solidificação e resfriamento da solda. Para que elas

ocorram é necessário que haja uma combinação de fragilidade metalúrgica (em geral

uma fragilização em alta temperatura devido à presença de filmes líquidos em

material sólido) e tensões aplicadas. O principal tipo de trinca para ligas de alumínio

é a trinca a quente, que ocorre devido à elevada expansão térmica no aquecimento

seguida de forte contração durante a solidificação. Caso existam regiões ainda

líquidas no momento em que a solda começa a ser tracionada pelas restrições

impostas na soldagem, figura 13, os filmes líquidos abrem trincas no material [2].

Figura 13 -Mecanismo de trincamento a quente [2].

Tensões de contração Tensões de contração

Metal de solda líquido

Enriquecimento de soluto na frente de solidificação

Filmes líquidos nos contornos de grão

Trincas a quente em locais onde os filmes solidificaram

sem preencher os vazios

restrição restrição

36

As trincas a quente sempre ocorrem em regiões que sofreram fusão na soldagem,

porém podem ser trincas de solidificação quando ocorrem no metal de solda, ilustrada

na figura 14; ou podem ser trincas de liquação quando ocorrem por efeito de fusão

na zona de ligação e ZTA, figura 15 [7].

Figura 14 - trinca de solidificação em junta soldada de alumínio [7]

Figura 15 - trinca de liquação em junta soldada de alumínio [7]

A susceptibilidade ao trincamento à quente depende da quantidade de elementos de

liga, e a figura 16 mostra quais são as faixas de elementos que conferem forte

tendência à fissuração a quente [2]. Pode-se constatar que A LIGA 5083 (com 4,5%

Mg) não apresenta forte tendência a este tipo de trinca.

37

% elemento de liga

Figura 16 - tendência ao trincamento a quente de ligas de alumínio em função da quantidade

de elementos de liga do material sendo soldado. [2]

Susc

eop

tib

ilid

ade

ao T

rin

cam

en

to a

Qu

ente

38

2.6.3.2 Falta de Penetração

A falta de penetração ocorre onde a solda não penetra toda a espessura do metal

base, quando a soldagem ocorre de um lado apenas, ou onde as soldas não se

interpenetram suficientemente quando a soldagem se realiza dos dois lados da junta.

A falta de penetração é um defeito crítico, uma vez que ela atua como um ponto de

concentração de tensões a partir do qual pode iniciar uma falha maior. Nas soldas

em chanfro, a falta de penetração é usualmente o resultado de baixas correntes de

soldagem, abertura de junta insuficiente, preparação de borda inadequada, ou

velocidade de deslocamento excessiva para a corrente que está sendo empregada.

Nas soldas de filete, a penetração total é conseguida quando a solda penetra os dois

membros a uma profundidade suficiente que assegure a fusão na raiz. Nas juntas

“T”, a presença de uma região não fundida entre as duas soldas de filetes não

constitui necessariamente uma falta de penetração.

Figura 17 - Solda de Filete; Fonte: Welding Answers

2.6.3.3 Falta de Fusão

A falta de fusão ocorre quando o metal de solda não consegue coalescer com o metal

base ou com metal de solda anteriormente depositado. As causas principais deste

defeito em soldas de alumínio são: corrente de soldagem insuficiente, comprimento

de arco longo, preparação inadequada da borda e/ou metal base com película de

óxido espessa. O último pode ser evitado por meio de escovamento da junta pouco

antes da operação de soldagem, e também com o escovamento entre passes em

soldas multipasses, para não só remover o filme de óxido como também a fuligem

proveniente da soldagem. É importante que as condições que dão origem a este

defeito sejam conhecidas, uma vez que ele é difícil de ser detectado pelos métodos

de ensaio não destrutivos.

39

2.6.3.4 Mordedura

A mordedura é a formação de sulcos no metal base, que pode ocorrer ao longo de

cada lado ou dos dois lados do cordão de solda. O calor do arco funde uma área mais

extensa do que a solda, de modo que o metal fundido extra, por ação de capilaridade

ou gravidade, escorre para fora do cordão de solda, e, desta maneira, leva à formação

desses sulcos denominados de mordeduras. A mordedura sendo muito acentuada

reduz a área da secção transversal da junta, atuando como um ponto concentrador

de tensões. A mordedura é originada principalmente pelo uso errado da técnica de

soldagem, isto é, devido à manipulação inadequada da tocha ou, na soldagem TIG,

pela adição de vareta na poça de solda incorretamente. A corrente de soldagem muito

alta em relação à espessura do metal ou soldagem muito lenta podem também levar

a mordedura na solda.

2.6.3.5 Porosidade

A porosidade é a presença, na solda, ou no metal base adjacente à solda, de

pequenas bolsas de hidrogênio ou cavidades. O hidrogênio é o único gás que é

significativamente insolúvel em alumínio. É fato bem demonstrado que uma

quantidade pequena de porosidade esférica, dispersa uniformemente através da

solda, tem pouca ou nenhuma influência sobre a resistência da junta. Todavia, se a

porosidade estiver presente em grande quantidade ou alinhada, a resistência e

ductilidade da junta ficam prejudicadas. A causa principal para formação da

porosidade é a introdução de hidrogênio proveniente de fontes externas, tais como:

vapor d’água, óleo, graxa, etc., dentro da atmosfera do arco de modo que, assim, o

hidrogênio penetra na poça de solda. Uma das fontes de agentes contaminantes é o

metal de adição, sendo que o mesmo, independentemente de sua qualidade original,

pode contaminar-se durante o manuseio e a armazenagem. Outra fonte de

contaminação são as sujeiras consequentes de uma má limpeza do metal base. Todo

o hidrogênio proveniente dessas fontes externas é decomposto em hidrogênio

atômico através do calor gerado pelo arco, para depois ser dissolvido no metal de

solda fundido. Entretanto, na solidificação da solda ele é liberado de modo a formar

poros de gás, uma vez que a sua solubilidade em alumínio sólido é muito menor do

que em alumínio fundido. A porosidade pode ser classificada quanto ao seu tamanho

e sua localização. Os poros podem ser finos (menores do que 1,6 mm), médios

(menores do que 3,2 mm) ou grandes (acima de 3,2 mm). Quanto à localização ela

pode estar dispersa, agrupada ou alinhada. A porosidade agrupada é normalmente

consequência de uma variação nas condições de soldagem, podendo ou não ser

inaceitável. Já a porosidade alinhada usualmente está relacionada a um dos outros

defeitos, tais como a falta de fusão ou de penetração, e é raramente aceitável. O

40

processo e procedimento de soldagem têm influência na quantidade de porosidade

nas soldas. Quanto mais tempo a poça de solda permanecer líquida, maior será a

oportunidade para o gás hidrogênio sair. É por esta razão que as soldas TIG

normalmente possuem menos porosidade do que as MIG. Dessa forma, correntes de

soldagem mais elevadas e associadas a poças de solda maiores tendem a dar menos

porosidade do que correntes de soldagem baixas.

2.6.4 NORMAS E ESPECIFICAÇÕES

As normas e especificações, segundo as quais as soldas são realizadas, inspecionadas

e testadas variam de acordo com os requisitos de serviço dos produtos soldados.

Especificações abrangendo a soldagem do alumínio para aplicações navais,

aeronáuticas, vasos de pressão, tanques de armazenamento e equipamentos

militares são publicadas por sociedades classificadoras, tais como as seguintes:

• American Welding Society (AWS)

• American Petroieum Institute (API)

• American Bureau of Shipping (ABS)

• American Society for Testing and Materiais (ASTM)

• Lloyd’s Register of Shipping

• U.S. Mílitary Specification

Além disso, o “Welding Handbook”[4] publicado pela American Welding Society

(AWS) contém informações muito úteis sobre controle da qualidade em soldagem.

2.6.5 QUALIFICAÇÃO DE PROCEDIMENTOS

Quando a soldagem segue a orientação de normas ou especificações, geralmente é

necessário obter a qualificação dos procedimentos de soldagem e de soldadores.

Além disso, às vezes, esses códigos contêm um requisito que recomenda a

qualificação do pessoal de supervisão, das instalações e dos equipamentos. Para

qualificar os procedimentos de soldagem é indispensável comprovar que as suas

condições especificadas são capazes de proporcionar soldas sem defeitos, quando

realizadas por soldadores competentes e efetuadas com equipamentos apropriados.

A liga, a espessura e a condição do metal base, bem como o metal de adição, para

os quais a qualificação é requerida, devem ser os mesmos utilizados no teste. A

posição da soldagem do teste deve ser igual à que será utilizada na produção. Os

conjuntos de teste soldados devem proporcionar a retirada de corpos de prova de

tração e ensaio de dobramento, além disso, macrografias devem ser preparadas para

avaliar os perfis de solda. Os procedimentos são aprovados e qualificados quando os

corpos de prova soldados passam nos testes mecânicos. Podem existir requisitos

adicionais de testes de corrosão, dependendo da aplicação e do código.

41

2.6.6 QUALIFICAÇÃO DE SOLDADORES

Geralmente, as especificações estipulam que a operação de soldagem é para ser feita

somente por soldadores que já tenham sido qualificados. Esta qualificação é

conseguida por meio de testes, que comprovam a habilidade do soldador em produzir

soldas sem defeitos nos vários tipos e posições. Alguns exemplos de normas e

especificações publicadas para qualificação de soldadores são citadas a seguir:

• AWS B3.0 - Welding Procedure and Performance Qualification.

• ASME - Section IX : Qualification Standard for Welding and Brazing -

Procedures, Welders, Brazers and Welding and Brazing Operators.

• C.S.A. Standard W47.2 - Aluminium Welding Qualification Code.

2.7 Construção e Reparo

Na indústria naval existem basicamente dois tipos de trabalho em estruturas que se

utilizam de solda, construção e reparo. Na construção, o processo é mais sistemático

com procedimentos e locais a serem soldados determinados previamente. No reparo,

devido a questão de improvisos, a solda e seus procedimentos nem sempre são

previamente estabelecidos. Esta diferença será descrita a seguir.

2.7.1 Construção

A construção de uma embarcação é um trabalho complexo que se utiliza de muitas

áreas diferentes. Áreas como planejamento, mecânica, elétrica, tubulação,

acabamento, pintura, caldeiraria entre outras. Nossa área de interesse neste trabalho

é a caldeiraria. Para a construção de uma nova embarcação com seus blocos e

edificação, a solda é figura fundamental neste processo.

A solda deve ser muito bem avaliada, como aporte de calor, posição de solda e outros

parâmetros, pois o aquecimento da solda causa deformação na chapa e tensões

acumuladas.

2.7.2 Reparo

No reparo, não é possível escolher tão facilmente a posição à ser soldada, pois o

barco já está pronto, logo a posição vai de acordo com a necessidade. Porém, a solda

não é menos importante que na construção, pois a dificuldade de solda é muitas

vezes maior por falta de acesso, e muita das vezes existe a fusão de uma chapa nova

com uma chapa velha dificultando assim o trabalho do soldador.

42

3 MATERIAIS E MÉTODOS

Este trabalho consistiu em estudar experimentalmente um procedimento de

soldagem MIG para chapas de alumínio de liga AA5083 na condição O, recozida,

utilizando consumível similar e cobre-junta (ou backing). Esta liga Al-Mg-Mn, não

tratável termicamente, se apresenta na condição relaxada, ou seja não apresenta

nenhum tipo de mecanismo de endurecimento adicional por encruamento ou seja se

apresenta com a menor resistência mecânica para a liga.

O estudo de caso foi conduzido através de uma análise passo a passo das

características exigidas para a soldagem da liga, como apresentado no tópico Estudo

para a Qualificação do Procedimento. Esta análise levou à soldagem das chapas

utilizando o processo convencional MIG, com parâmetros de soldagem usualmente

aplicados para as diferentes posições de soldagem de chapa, plana, horizontal,

vertical ascendente e sobre-cabeça; e foram realizados os testes de qualificação

exigidos pela norma AWS D1.2. Como existiram desvios nos resultados em relação

ao esperado, foram conduzidas análises microestruturais para evidenciar as causas

dos desvios. Neste capítulo estão apresentadas características dos materiais

utilizados e dos métodos de soldagem, ensaios e análises.

3.1 Materiais

Foi adquirida uma chapa de liga AA 5083-O, espessura 7 mm, e esta foi cortada em

chapas de teste para a soldagem nas dimensões de: 400 x 200 mm

A tabela 6 apresenta as propriedades mecânicas do material comparativamente aos

requisitos da norma.

Tabela 6 - Propriedades Mecânicas em tração do metal de base. Fonte: [5]

A tabela 7 apresenta a composição química do material adquirido, comparada com

os limites da norma.

Tabela 6 - Composição Química (% em peso) do Metal de Base, Fonte: [5]

43

3.2 Estudo para a Qualificação do Procedimento Norma AWS D1.2

Projeto: Soldagem de Chapa Alumínio

Material: Alumínio 5083-O

Espessura: 7 mm

Processo de Soldagem: GMAW

Máquina de Soldagem : ESAB (modelo LAI 407P)

Figura 18 - Máquina de Solda ESAB

Figura 19 - Cabeçote de Solda ESAB

44

Posições: 1G, 2G, 3G e 4G.

Chanfro: figura 20

Figura 20 – Esquema de Chapa de Teste

1º Passo

Verificar composição química e resistência mecânica do metal de base. OK.

2º Passo

Definir consumível compatível com metal de base, conforme a tabela 8. OK.

Tabela 7- Definição de consumível; Fonte: [5]

O arame sólido adotado corresponde ao eletrodo AWS ER5183, bitola 1,2 mm, e a

soldagem foi utilizada com argônio puro de solda. A tabela 9 apresenta a composição

química do arame comparado aos requisitos da AWS.

45

Tabela 8- Composição Química do Material de Adição (% em peso), Fonte: [5]

3º Passo

Verificar quais os ensaios para qualificar a espessura da chapa.

A tabela 10 abaixo mostra a faixa de qualificações para a espessura soldada.

Tabela 9- Espessura Qualificada e Testes; Fonte: [5]

Espessura da chapa de 7 mm, qualificada de 1/8” (3,175mm) até 2T = 14mm.

4º Passo

Verificar tipo e quantidade de corpos de prova para os ensaios mecânicos.

A tabela 10 mostra também a quantidades e tipos de corpos de prova para ensaio

mecânico e a figura 21 mostra um esquema de retirada de corpos-de-prova para

ensaios.

Necessário 1 dobramento de face e 1 dobramento de raiz. Além disso, ensaio de

tração da junta soldada.

46

Figura 21 - Esquema para obtenção de CPs; Fonte: [5]

5º Passo

Verificar critério de aceitação dos ensaios mecânicos.

Ensaio de tração – tensão limite de resistência à tração maior do que a mínima

especificada para o metal de base.

Ensaio de dobramento – superfície convexa do dobramento, examinada visualmente,

sem descontinuidades superficiais. Tolerância conforme Norma.

47

6º Passo

Verificar tipos de ensaios não destrutivos.

Inspeção Visual de Solda para assegurar integridade.

Antes dos ensaios mecânicos, radiografia ou ultrassom para verificar a sanidade da

solda. Neste trabalho foram feitas somente macrografias.

7º Passo

Posição de Soldagem

A tabela 11 abaixo mostra a posição de soldagem qualificada.

Tabela 10 - Posições de Solda; Fonte: [5]

48

As posições soldadas nesse trabalho foram. 1G, 2G, 3G e 4G.

8º Passo

Verificar parâmetros de soldagem, tipo de corrente, polaridade e faixa de tensões

para assegurar uma dada transferência metálica.

Para este teste foi utilizada corrente contínua, polaridade positiva CC+. Desejável

transferência spray, obtida para a faixa de correntes de 165-225A e tensões entre

24-29Volts. [5]

3.3 Soldagem das Chapas de Teste

Foram soldadas chapas de alumínio 5083-O de 7 mm de espessura e 400 x 200 mm

de comprimento e largura, respectivamente. Estas chapas foram soldadas pelo

processo MIG e chanfradas com 80º de ângulo e com um nariz de 2 mm. Para a

abertura entre as chapas foi utilizada uma abertura de 7 mm e backing de cerâmica.

As figuras 23 e 24 ilustram a soldagem das chapas e o backing de cerâmica

respectivamente.

Figura 22 – Posições de Soldagem, Fonte: [5]

49

Figura 23 – Solda sobre-cabeça

Figura 24 - Solda com Backing de Cerâmica

50

As posições soldadas foram:

Plana

Horizontal

Vertical

Sobre Cabeça

Foram registradas as seguintes variáveis de soldagem, para cada posição :

Amperagem

Voltagem

Velocidade de Soldagem

Velocidade de alimentação do Arame

Stick-out (Tamanho inicial do Arame)

Energia de Soldagem

3.4 ANÁLISES DE SOLDAS E CORPOS DE PROVA

Todas as peças de teste foram cortadas e feitas às macrografias para identificar as

características de fusão e presença de defeitos. Foi adotado lixamento e ataque com

reagente de Keller.

Foi levantado um perfil de durezas Vickers com carga de 1 quilo na macrografia de

cada junta soldada (para cada posição), buscando evidenciar as propriedades ao

longo do metal de base, ZTA e MS e identificar se em alguma região existiria a

possibilidade da junta se apresentar menos resistente do que o metal de base.

Ensaios que não tiveram os resultados esperados foram analisados visualmente e

micrograficamente. Os ensaios micrográficos foram realizados com polimento e

ataque com reagente de Keller. Foi utilizado microscópio ótico com ampliações de até

500x para analisar as estruturas.

51

4 RESULTADOS OBTIDOS

4.1 Soldagem

A tabela 12 apresenta um resumo dos parâmetros e condições de soldagem utilizados

em cada posição.

Tabela 11- Condições e Parâmetros de Soldagem

Nesta tabela constata-se que:

1- A corrente média na posição 1G foi de 157A e a tensão foi de 21V. Para a

posição 2G a corrente média foi de 157A e a tensão foi de 19V. Para a posição

3G a corrente média foi de 134A e a tensão foi de 21V. E para a posição 4G a

corrente média foi de 167A e a tensão foi de 22V.

2- Os parâmetros elétricos (V,I) não variaram muito entre os passes de raiz e de

enchimento, porém a velocidade de soldagem se mostrou muito mais baixa

nos passes de raiz em relação ao enchimento, apenas possível pela presença

do backing. O valor médio da velocidade de soldagem para os passes de raiz

foi 3,1(mm/s) e para os passes de enchimento foi de 5,9(mm/s).

Praticamente o dobro da velocidade.

4.2 Aspecto Macrográfico e Perfil de Durezas

As juntas soldadas apresentaram as características macrográficas apresentadas nas

figuras 25, 26, 27 e 28. Constata-se que apesar das juntas de todas as posições

terem sido soldadas com 3 passes (exceto a posição 2G, que teve uma contra-solda)

a largura das soldas se mostrou muito diferente entre as posições e o passe de raiz

de todas as juntas parece ser muito largo, o que é consistente com a observação 2

da tabela 12 que indica aportes muito altos na raiz.

Em termos de dureza, o perfil para cada posição, respectivamente 1G, 2G, 3G e 4G,

está apresentado nas figuras 29, 30, 31 e 32. Verifica-se que os valores de dureza

não sofrem alterações drásticas, como seria esperado para essa liga.

52

Figura 25 – 1G

Figura 26 – 2G

Figura 27 – 3G

Figura 28 – 4G

53

Figura 29 – Dureza 1G

Figura 30 – Dureza 2G

Figura 31 – Dureza 3G

Figura 32 – Dureza 4G

54

4.3 Ensaios de Qualificação

A tabela 13 apresenta os resultados dos ensaios mecânicos nas juntas soldadas. A

tensão limite de resistência de cada corpo-de-prova está apresentada

comparativamente com o valor de tensão Limite de Resistência (LR) do metal base

(MB), e os locais de ruptura nos corpos-de-prova. Os ensaios de dobramento

mostram na tabela 13 a condição aprovada ou rejeitada de cada corpo-de-prova, de

face ou de raiz e a figura 33 mostra muitas trincas nos corpos de prova de raiz,

mesmo na posição 2G onde foi realizada uma contra-solda.

Tabela 12- Resultados de Ensaios

MS- Material soldado

Figura 33 - CP dobramento da Posição 2G, mostrando trincas na raiz

55

Verifica-se que:

1- Todos os CPs de tração romperam em região fundida, com valores de tensão

limite de resistência inferiores à do metal base, sugerindo inicialmente que o

consumível adotado fosse de menor resistência.

Figura 34- Corpo de Prova (CP) para Ensaio de Tração

2- No dobramento de raiz foram rejeitados os CPs nas posições 2G e 3G pela sua

ruptura, também em região fundida.

3- O procedimento não foi aprovado nos ensaios de qualificação.

4.4 Análise dos Corpos de Prova com Desvio

O procedimento de soldagem não foi qualificado pois os corpos-de-prova ensaiados

mostraram desvios no resultado em relação ao que seria esperado. Basicamente foi

constatada tensão limite de resistência inferior à mínima requerida para o material

de base, com ruptura frágil na região fundida (sem deformação plástica), figuras 35

e 36, e trincas nos ensaios de dobramento, figuras 37 e 38.

56

Figura 35 - Fratura do CP de tração rompido, frágil

Figura 36 - macrografia do CP mostrando ruptura (à esquerda) em região fundida

A análise visual da solda e a análise metalográfica nas juntas e nos corpos-de-prova

testados permitiram constatar que os desvios foram causados pela presença de

trincas nos corpos-de-prova, em regiões próximas à raiz, em todas as posições

soldadas. Estas trincas tem morfologia de fissuração a quente, figuras 37 e 38. E

foram responsáveis pelo material perder a capacidade de resistir à tração, rompendo

frágil sem atingir a carga máxima, além de promoverem uma perda da capacidade

do material de deformar no ensaio de dobramento.

57

Figura 37 – Tricas a Quente na raiz da solda da posição 1G. Micrografias por microscopia ótica, vista geral e detalhe, com ataque de Keller

Figura 38- Tricas a Quente na raiz da solda da posição 1G. Micrografias por microscopia ótica, vista geral e detalhe, com ataque de Keller

58

Um aspecto interessante é que as trincas a quente não estão no metal de solda e sim

na margem da solda, na raiz, onde deveria ser metal de base. A figura 39 mostra

uma vista da solda na raiz e a figura 40 apresenta a macrografia, ambas da posição

1G, e pode-se observar que existe um aspecto fundido onde estava posicionado o

backing. No detalhe da figura 41, pode-se constatar que a junta foi soldada em 3

passes, identificado pela sequência na figura 42, e que existe uma região próxima à

linha de fusão do passe de raiz que mostra um material fundido porém sem

participação de consumível. Esta fusão muito larga, retida pelo backing, foi

provavelmente causada pela adoção de elevada energia de soldagem, como

mostrado na Tabela 12. Este elevado aporte de calor, que causou uma fusão

excessiva nas laterais da raiz.

As figuras 43 a 48 , detalhes da raiz e macrográficos de cada posição de soldagem,

mostram o mesmo efeito de criar zonas autógenas (fusão sem metal de adição)

susceptíveis ao trincamento.

Cabe ressaltar que ligas da série 5XXX não apresentam grande susceptibilidade à

fissuração aquente devendo ter ocorrido uma grande restrição na soldagem.

59

Figura 39- Aspecto da Superfície na Raiz 1G

Figura 40 - Aspecto Macrográfico da junta soldada na posição 1G. Ataque Keller

60

Figura 41- Passes e MB fundido

Figura 42 – MB fundido

61

Figura 43 - Aspecto da raiz da solda da posição 2G, com a contra-solda

Figura 44– Macrografia da solda da posição 2G, com a contra-solda (passe 4). Ataque de Keller.

62

Figura 45 – Aspecto da raiz da solda da posição 3G.

Figura 46- Macrografia da solda da posição 3G. Ataque de Keller.

63

Figura 47– Aspecto da raiz da solda da posição 4G.

Figura 48- Macrografia da solda da posição 4G. Ataque de Keller.

64

5 DISCUSSÃO

Os resultados mostraram que o procedimento adotado para a soldagem MIG de

chapas de alumínio tipo AA 5083-O não foi aprovado devido à presença de trincas

nos ensaios de dobramento de raiz e de propriedades na solda inferiores às mínimas

requeridas para o metal de base. Estas trincas aconteceram em regiões que

apresentavam trincas a quente de dimensões microscópicas. Isto ocorreu devido ao

fato de ter ocorrido um aporte de calor excessivo na região da raiz levando à fusão

autógena, onde o material de base sofreu fusão sem adição de um consumível,

passando a ser o ponto fraco da solda e assim não conseguindo alcançar o Limite de

Resistência requerido.

Não foi constatada na literatura publicação de problema similar, trincas a quente na

margem da raiz das soldas, mas ficou evidente que a solda autógena (toda a parte

em azul na figura 49) ocorreu devido ao alto aporte de calor no passe de raiz, que

foi oriundo da baixa velocidade de soldagem exercida pelo soldador neste passe. Esta

solda só foi possível pelo uso do backing, caso contrário a solda teria vazado pelo

lado oposto e o defeito teria sido identificado. Isto evidencia que o backing é um

aliado importante na qualidade da soldagem, mas pode mascarar este tipo de

problema.

Figura 49- Regiões com MB fundido

65

Ao comparar os parâmetros da literatura com aqueles utilizados neste trabalho,

tabela 14, foi constatado que os parâmetros elétricos estão mais elevados, pois a

literatura define que a transferência metálica para o alumínio deve ser spray e a

montagem do chanfro de acordo com a AWS, exigiria uma abertura muito menor, de

apenas 2,4 mm quando foi utilizado 7 mm. Esta abertura foi usada por uma

recomendação do soldador, mas mostrou-se ineficiente, pois exigiu velocidade muito

baixa o que elevou muito o aporte térmico e causou os defeitos.

Tabela 13 – Boas Práticas a ser seguidas

Tipo de Abertura (7 mm) – Acarretou uma maior quantidade de material depositado

Tensão – A tensão mais baixa que a recomendada acabou acarretando uma

transferência tipo globular onde no alumínio é recomendada uma transferência tipo

spray [5]

Corrente – A corrente mais baixa auxilia no processo de transferência tipo globular

da mesma forma que a tensão.

Velocidade de Soldagem – A baixa velocidade de soldagem do passe raiz, ocasionou

um grande aporte de energia originando problemas na solda.

A forma de mitigar este problema seria adotar um chanfro conforme recomendado

pela AWS e controlar os parâmetros elétricos para promover transferência spray.

66

6 CONCLUSÕES

Este trabalho avaliou uma EPS adotada para união de chapas de topo em todas as

posições de soldagem. Os ensaios de qualificação evidenciaram defeitos que não

seriam esperados para este tipo de liga, as trincas a quente na raiz das soldas, com

rejeição do procedimento.

Foram analisadas as causas da rejeição, com as seguintes conclusões:

1- O uso de backing mascarou o limite de aporte de calor que deveria ter sido

imposto na raiz das soldas, mostrando que é necessário maior controle dos

parâmetros, independente das percepções do soldador.

2- Chanfros muito abertos facilitam a fusão, mas podem exigir o uso de

velocidades muito baixas para um pleno preenchimento do chanfro, o que

intensificou o problema de um aporte muito alto.

3- Tensões e correntes fora das recomendações para uma transferência spray

também podem impor velocidades mais baixas e intensificar o problema.

67

7 TRABALHOS FUTUROS

O objetivo inicial deste trabalho foi o de estudar um procedimento de soldagem cuja

solda se mostrasse íntegra e com as propriedades requeridas para a aplicação e

classificação pela RINA, porém os resultados encontrados mostraram desvios que

causaram a rejeição do procedimento testado, inclusive com defeitos pouco

estudados.

Como trabalhos futuros são propostos:

Novos testes de soldagem com alterações nos parâmetros elétricos e

velocidades de soldagem para atender estritamente às recomendações da

norma AWS D1.2 (transferência spray) utilizando a soldagem GMAW

convencional;

Novos testes de soldagem com chanfros mais fechados para reduzir a

necessidade de preenchimento e com isso reduzir o aporte de calor;

Novos testes de soldagem com redução dos aportes pela utilização de

equipamento MIG pulsado;

Estudo dos limites de aporte para cobre-junta, sem que a liga sofra

trincamento a quente.

Além de utilizar a mesma sistemática para qualificar os procedimentos em novos

testes, também seria interessante realizar os ensaios de corrosão tipicamente

adotados para qualificar a junta soldada para a aplicação em ambientes marinhos.

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8 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] ALCAN – Manual de Soldagem.

[2] Apostila do curso de engenheiros de soldagem aplicada pelo GSI/SLV Duisburg

em 2008 (IIW/IWE – International Institute of Welding / International WElding

Engineer).

[3] ESAB – Caminhos para Soldar Melhor.

http://www.esab.com.br/br/pt/education/apostilas/upload/1900810_rev1_caminho

sparasoldarmelhor_ok.pdf

[4] Welding Handbook

https://pubs.aws.org/Download_PDFS/WHB-1.9PV.pdf

[5]AWS D 1.2 D1.2M 2014

http://www.aws.org/certification/detail/aws-d12-structural-welding-code-aluminum

[6] Resistência Mecânica. Publicação Linkedin 2016.

https://www.linkedin.com/pulse/resist%C3%AAncia-mec%C3%A2nica-annelise-

zeemann

[7] Trincas na soldagem de alumínio. Publicação site The Welding Institute (TWI).

http://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/weldability-of-

materials-aluminium-alloys-021/